Теплообменники со спиральными перегородкамичасто описываются как «поэтапное изменение» конструкции кожуха-и-трубок. Претензия проста: более плавный поток, лучшая теплопередача, меньшая вибрация, меньший перепад давления. И во многих случаях они обеспечивают именно это.
Но мы также видели, что они неэффективны-не потому, что у них плохая конструкция, а потому, что они были предназначены для неподходящих задач или имели неправильный размер. Вот что мы на самом деле измерили в полевых условиях.
Что на самом деле делает конструкция спиральной перегородки
В обычном теплообменнике с сегментной перегородкой жидкость со стороны кожуха-движется взад и вперед по трубному пучку зигзагообразным образом. Поток меняет направление у каждой перегородки. Это создает турбулентность, но также создает мертвые зоны, высокий перепад давления и вибрацию,-вызывающую поперечный поток.
Конструкция спиральной перегородки заменяет сегментные перегородки непрерывной спиральной поверхностью. Жидкость движется по спирали вдоль оболочки. Течение становится более плавным и равномерным.
Что дает спиральная конструкция:
- Более равномерное распределение скорости по пучку
- Меньший перепад давления при той же теплопередаче (или лучшая теплопередача при том же перепаде давления)
- Снижение вибрации, вызываемой потоком-(без резких изменений направления)
- Меньше мертвых зон, в которых накапливаются загрязнения
Чего это не дает:
- Это не устраняет необходимость в надлежащей поддержке трубок (вам все равно нужны перегородки для поддержки трубок)
- Не устраняет проблемы, вызванные плохим распределением потока на входе.
- Он не работает одинаково хорошо для всех жидкостей.
Теплопередача против перепада давления: реальный компромисс-против
Это основное требование конструкции спиральных перегородок: лучшая теплопередача на единицу перепада давления. Мы измерили это на нескольких установках.
| Параметр | Сегментарный | Перегородка спиральная | Преимущество спиральной перегородки |
| Значение оболочки-стороны U- | 1,850 W/m²·K | 2,100 W/m²·K | +13.5% |
| Падение давления | 45 кПа | 32 кПа | -29% |
| Соотношение (U/ΔP) | 41.1 | 65.6 | +60% |
Спиральная конструкция обеспечивает лучшую теплопередачу на 13,5% при меньшем перепаде давления на 29%. Это значительное улучшение. За 5-летний период эксплуатации экономия энергии при перекачке составила около 15% от общих эксплуатационных затрат.
Но есть загвоздка: улучшение не происходит автоматически. Спиральная конструкция работает хорошо только тогда, когда скорость жидкости достаточно высока для поддержания спиральной структуры потока. На низких скоростях улучшение уменьшается.
Угол спирали: конкретный расчет, который мы используем
Мы видим распространенную ошибку: инженеры указывают «теплообменник с винтовой перегородкой», не указывая угол спирали. Производитель использует стандартный угол, -обычно 30–40 градусов-, который может быть оптимальным, а может и не быть.
Наш опыт работы с углами спирали:
| Угол спирали | Влияние на теплопередачу | Влияние на падение давления | Лучшее для |
| 20–25 градусов | Умеренное улучшение | Самый низкий рост | Высокоскоростные-чистые жидкости |
| 30–40 градусов | Лучший баланс | Умеренное увеличение | Большинство общих услуг |
| 45–60 градусов | Высшее улучшение | Самый высокий рост | Услуги по обрастанию требуют турбулентности |
Наша типичная спецификация: 35 градусов для общего обслуживания. Мы делаем поправку вверх для загрязняющих жидкостей и вниз для-падения-ограниченных приложений.
Спиральные перегородки и загрязнение: набор измеренных данных
Одним из заявленных преимуществ спиральных перегородок является уменьшение загрязнения. Предполагается, что спиральный поток удерживает частицы во взвешенном состоянии и предотвращает осаждение отложений.
Наши данные о загрязнениях в различных сервисах:
| Услуга | Скорость сегментного загрязнения | Скорость спирального загрязнения | Снижение |
| Технологическая вода (очищенная) | 1.0x | 0.6x | -40% |
| Вода градирни | 1.0x | 0.7x | -30% |
| Легкие углеводороды | 1.0x | 0.8x | -20% |
| Тяжелая нефть (высокая скорость) | 1.0x | 0.85x | -15% |
| Тяжелая нефть (низкая скорость) | 1.0x | 1.1x | +10% (хуже) |
Картина последовательна: спиральные перегородки уменьшают засорение в большинстве случаев, но только тогда, когда скорость достаточна. На низких скоростях спираль создает большую площадь поверхности для прилипания отложений, что фактически может усугубить загрязнение.
Наше правило: если боковая скорость-корпуса ниже 0,5 м/с, не ждите уменьшения загрязнения за счет винтовых перегородок. Они могут сделать ситуацию еще хуже.
Стандарт API, на который мы ссылаемся
Мы разрабатываем теплообменники со спиральной перегородкой в соответствии со стандартами TEMA класса R, уделяя особое внимание TEMA RCB-4.3.1 по конструкции перегородок и RCB-4.7 по опорам пучков.
TEMA RCB-4.3.1 требует, чтобы перегородки обеспечивали адекватную поддержку трубок для предотвращения вибрации. Спиральные перегородки отвечают этому требованию, но требуют тщательного расчета длины вывода спирали и толщины перегородки. В TEMA RCB-4.7 учитывается расстояние между опорами пучков, что особенно важно для спиральных конструкций, поскольку непрерывная спираль создает другую схему опоры, чем сегментные перегородки.
Наша практика: до начала изготовления мы передаем клиенту на утверждение расчет опоры перегородки со ссылкой на TEMA RCB-4.3.1 и RCB-4.7. Это тот же расчет, который мы используем для сегментных перегородок, но с поправкой на геометрию спирали. Ключевым отличием является неопорный пролет трубы: в сегментной конструкции неопорный пролет представляет собой расстояние между соседними перегородками. В спиральной конструкции пролет без опоры длиннее, поскольку спираль обвивает пучок, а точки опоры расположены дальше друг от друга. Мы проектируем максимальный пролет без опоры 1,2 м по сравнению с 0,8–1,0 м для сегментных конструкций.
Доступ к механической очистке: особое ограничение
Мы упомянули об этом выше. Спиральные перегородки представляют собой непрерывную конструкцию, охватывающую трубы. Если вам необходимо выполнить механическую очистку боковой части корпуса-или отдельных трубок стержня-, вам может помешать винтовая перегородка.
Наше руководство:
- Если в вашем сервисе требуется механическая очистка-сторон корпуса, рассмотрите вместо этого сегментные перегородки.
- Если вы используете спиральные перегородки при очистке от загрязнений, планируйте только химическую очистку (CIP).
- Если вам нужно закрепить трубки, укажите съемные трубки или конструкцию, обеспечивающую доступ к трубкам.
Контрольный список выбора теплообменников со спиральной перегородкой
Прежде чем указать спиральные перегородки:
- Боковая скорость-оболочки – превышает ли она 0,5 м/с? В противном случае польза может быть минимальной. Рассчитайте Re_shell на основе гидравлического диаметра.
- Тип жидкости – жидкости приносят больше пользы, чем газы. Загрязняющие жидкости выигрывают, если скорость достаточна.
- Риск вибрации. Если вибрация является актуальной проблемой, винтовые перегородки являются проверенным решением.
- Доступ для очистки – нужна ли механическая очистка? Если да, возможно, спиральный вариант не является правильным выбором. Укажите CIP, если продолжите.
- Ограничения по пространству: сможете ли вы разместить существующую оболочку? Helical хорошо подходит для модернизации.
- Угол спирали – укажите длину и угол подвода спирали. Не оставляйте это на усмотрение производителя.. 35 Степень — хорошая отправная точка.
- Стоимость – спиральные пучки дороже на 15–25%. Управляйте экономикой.
- Соответствие TEMA – укажите TEMA RCB-4.3.1 и RCB-4.7 в вашей спецификации. Отправьте расчеты поддержки на утверждение.
- Опыт поставщиков: не каждый производитель хорошо справляется со спиральными конструкциями. Попросите ссылки из аналогичных приложений.